中国科大揭示锆石U同位素记录了地球构造体制的关键转折

近日，学院黄方教授团队在早期地球构造体制演化研究方面取得重要进展。研究基于锆石U同位素证据，揭示了全球构造体制在约30亿年前由“停滞盖”向“活动盖”转变的关键过程，标志着板块俯冲驱动的深部水循环和岛弧岩浆活动的兴起。这一机制转变不仅改变了陆壳的形成方式，还深刻影响了地球表层环境的演化。相关成果以“²³⁸U/²³⁵U of Zircons Record the Tectonic Regime Transition in Crustal Formation at 3.0 Ga”为题，近期发表于《The Innovation Geoscience》。

相较于太阳系其他类地行星，地球最显著的特征是存在长英质的大陆地壳。现今新生大陆地壳的形成主要与汇聚板块边缘的俯冲作用相关，通过地幔部分熔融及岩浆分异作用形成。然而，板块构造体制何时启动并主导陆壳形成，以及该机制是否适用于整个地质历史时期，仍存在广泛争议。

针对这一问题，研究团队利用锆石这一能够稳定保存原始岩浆信息的重要矿物载体，系统整理了4.2 Ga以来全球多个克拉通锆石的U同位素数据(δ²³⁸U)。结果显示，该指标在约3.0 Ga前后发生了明显变化：3.0 Ga之前δ²³⁸U的平均值为-0.23 ± 0.05‰，而3.0 Ga之后升高至-0.10 ± 0.03‰，并随后长期保持稳定(图1A-B)。

图1 约30亿年前锆石δ²³⁸U的变化受岩浆氧逸度升高的控制，揭示了地壳形成构造体制的转变

结合锆石-熔体体系中不同价态U的分配行为及同位素分馏机制(图1C)，研究团队认为，约3.0 Ga后全球锆石U同位素组成的系统性偏重，很可能记录了岩浆氧逸度的整体升高，并反映出地球构造体制由“停滞盖”向“活动盖”的根本性转变(图1D-E)。这一转变标志着板块俯冲体系的建立，开启了深部水循环和氧化性弧岩浆活动，促进了长英质陆壳的形成。研究还指出，俯冲相关氧化性钙碱性岩浆岩在表生风化过程中对游离氧的消耗明显低于基性岩；同时，俯冲诱导的地幔氧化还可能减少可氧化火山气体的释放。二者共同作用，可能为古元古代大氧化事件的发生提供了关键动力。该研究为认识早期地球构造体制转变及其对陆壳形成和表层环境演化的深远影响提供了重要约束。

论文第一作者为中国科大博士生盛佳儒，通讯作者为黄方教授。合作者包括中国科大特任副研究员全昳糠、段皓晨、姜鼎盛以及卫炜副研究员。该研究得到国家自然科学基金项目(92479205、42473010)和中央高校基本科研业务费专项资金(WK2080000193)资助。

论文链接：https://doi.org/10.59717/j.xinn-geo.2026.100209